正方形的“自我复制”

美国的马丁・加德纳先生是一位擅长攻克智力题的大师。作为一名大师,他并不是普通意义上的数学家。每当数学界有了新的发现,他都非常关心,而且往往像接力赛那样接过来,在趣味数学方面继续探讨。他的题目既有广度又有深度,真正做到了雅俗共赏。

有一次,美国南加利福尼亚大学的所罗门・戈洛姆教授对一类能“自我复制”的***形进行研究。所谓“自我复制”,就是某个***形能被划分成若干个更小的全等***形,它们相互间不但面积相等、形状相同,而且和原***形也是相似的。最简单的例子就是:任何正方形都可以一分为四,成为四个更小的正方形,如***①所示。

还有缺掉一角的正方形,也就是L形,以及“狮身人面像”那样的***形也都有这种性质。它们都能一分为四,并且永远这样复制下去。能“自我复制”的***形在几何学中颇引人注目,马丁对此也相当关注。他同样也提出过1个如***②所示的***形。这是由6个正方形组成的多边形,也是1个能“自我复制”的***形。马丁居然把它分成了144个更小的全等***形。还有一位罗伯特・雷德把它分成为36个小块(***③),让大家叹为观止。

不过,我们今天主要是想介绍马丁・加德纳先生把正方形一分为三的办法。当然,谁都知道正方形是不可能分成3个较小正方形的。但是马丁降低了条件,他只要求把1个正方形分成3个小***形并相似即可,它们的面积可大可小,并不强求。特别是绝对不要求和原来的正方形相似。

那么,如果用2条竖线把正方形一分为三如何?如***④所示。

凡事都是由简至繁,由浅入深的。***④完全能满足马丁原先的要求,所以不能因为太简单而抛弃它。接着马丁就考虑能否把正方形再分成3个不一样大小的矩形。为直观起见,他把正方形画成6×6的方阵,然后沿着格线就轻而易举地实现了目标,如***⑤所示。

“这并不难,我也能做得到!”如果你能这么想就太好了。不过你得注意那2个小矩形和较大的矩形是否相似。定神一看,没想到小矩形的长和宽都是大矩形长和宽的 ,这是相似形成立的必要条件:对应边的比例必须一样。

能不能把正方形分成大中小3个不同的矩形,使它们的形状也相似?这就得好好动动脑筋了。现在再依靠格线来划分就很困难,于是马丁在纸上先随意涂抹起来,结果他画出了***⑥。

这里有3个大小不同的矩形,好像也彼此相似。不过,从数学角度来说,这得加以证明才行。结果马丁解决了这一问题:3个矩形的长宽比都等于1∶0.56984(证明从略)。

马丁还设计了2个L形的解,那比较简单,通过格线基本就能解决了。如***⑦和***⑧所示。

谁都能一眼看出:2个小L形都是全等的。而它们和大L形的各边比例也都相等。你不妨自己检验一下。

马丁又给自己提出任务了。因为以上***形的分割线全是横线或竖线。那么,能不能用斜线来分割***形呢?当然能!最容易的就是***⑨。

原来,只要利用2条对角线就能把正方形分成3个等腰直角三角形!

现在,马丁设想可以把正方形分成3个梯形,而且是直角梯形,如***⑩所示。这能成功吗?能,马丁进行了详细的推导,证明可以这样分(推导从略)。

马丁的数学功底在这里得到了充分的运用,数学大师真是名不虚传。不过,你还能构思出把正方形一分为三的不同方案吗?赶快把你的灵感发给我们吧!微信互动,更有惊喜礼物哟!

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